Fix 80-column violation.
[oota-llvm.git] / lib / Transforms / Utils / PromoteMemoryToRegister.cpp
1 //===- PromoteMemoryToRegister.cpp - Convert allocas to registers ---------===//
2 //
3 //                     The LLVM Compiler Infrastructure
4 //
5 // This file is distributed under the University of Illinois Open Source
6 // License. See LICENSE.TXT for details.
7 //
8 //===----------------------------------------------------------------------===//
9 //
10 // This file promotes memory references to be register references.  It promotes
11 // alloca instructions which only have loads and stores as uses.  An alloca is
12 // transformed by using iterated dominator frontiers to place PHI nodes, then
13 // traversing the function in depth-first order to rewrite loads and stores as
14 // appropriate.
15 //
16 // The algorithm used here is based on:
17 //
18 //   Sreedhar and Gao. A linear time algorithm for placing phi-nodes.
19 //   In Proceedings of the 22nd ACM SIGPLAN-SIGACT Symposium on Principles of
20 //   Programming Languages
21 //   POPL '95. ACM, New York, NY, 62-73.
22 //
23 // It has been modified to not explicitly use the DJ graph data structure and to
24 // directly compute pruned SSA using per-variable liveness information.
25 //
26 //===----------------------------------------------------------------------===//
27
28 #define DEBUG_TYPE "mem2reg"
29 #include "llvm/Transforms/Utils/PromoteMemToReg.h"
30 #include "llvm/Constants.h"
31 #include "llvm/DerivedTypes.h"
32 #include "llvm/Function.h"
33 #include "llvm/Instructions.h"
34 #include "llvm/IntrinsicInst.h"
35 #include "llvm/Metadata.h"
36 #include "llvm/Analysis/AliasSetTracker.h"
37 #include "llvm/Analysis/DebugInfo.h"
38 #include "llvm/Analysis/DIBuilder.h"
39 #include "llvm/Analysis/Dominators.h"
40 #include "llvm/Analysis/InstructionSimplify.h"
41 #include "llvm/Analysis/ValueTracking.h"
42 #include "llvm/Transforms/Utils/Local.h"
43 #include "llvm/ADT/DenseMap.h"
44 #include "llvm/ADT/SmallPtrSet.h"
45 #include "llvm/ADT/SmallVector.h"
46 #include "llvm/ADT/Statistic.h"
47 #include "llvm/ADT/STLExtras.h"
48 #include "llvm/Support/CFG.h"
49 #include <algorithm>
50 #include <queue>
51 using namespace llvm;
52
53 STATISTIC(NumLocalPromoted, "Number of alloca's promoted within one block");
54 STATISTIC(NumSingleStore,   "Number of alloca's promoted with a single store");
55 STATISTIC(NumDeadAlloca,    "Number of dead alloca's removed");
56 STATISTIC(NumPHIInsert,     "Number of PHI nodes inserted");
57
58 namespace llvm {
59 template<>
60 struct DenseMapInfo<std::pair<BasicBlock*, unsigned> > {
61   typedef std::pair<BasicBlock*, unsigned> EltTy;
62   static inline EltTy getEmptyKey() {
63     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-1), ~0U);
64   }
65   static inline EltTy getTombstoneKey() {
66     return EltTy(reinterpret_cast<BasicBlock*>(-2), 0U);
67   }
68   static unsigned getHashValue(const std::pair<BasicBlock*, unsigned> &Val) {
69     return DenseMapInfo<void*>::getHashValue(Val.first) + Val.second*2;
70   }
71   static bool isEqual(const EltTy &LHS, const EltTy &RHS) {
72     return LHS == RHS;
73   }
74 };
75 }
76
77 /// isAllocaPromotable - Return true if this alloca is legal for promotion.
78 /// This is true if there are only loads and stores to the alloca.
79 ///
80 bool llvm::isAllocaPromotable(const AllocaInst *AI) {
81   // FIXME: If the memory unit is of pointer or integer type, we can permit
82   // assignments to subsections of the memory unit.
83
84   // Only allow direct and non-volatile loads and stores...
85   for (Value::const_use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
86        UI != UE; ++UI) {   // Loop over all of the uses of the alloca
87     const User *U = *UI;
88     if (const LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(U)) {
89       // Note that atomic loads can be transformed; atomic semantics do
90       // not have any meaning for a local alloca.
91       if (LI->isVolatile())
92         return false;
93     } else if (const StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(U)) {
94       if (SI->getOperand(0) == AI)
95         return false;   // Don't allow a store OF the AI, only INTO the AI.
96       // Note that atomic stores can be transformed; atomic semantics do
97       // not have any meaning for a local alloca.
98       if (SI->isVolatile())
99         return false;
100     } else if (const IntrinsicInst *II = dyn_cast<IntrinsicInst>(U)) {
101       if (II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_start &&
102           II->getIntrinsicID() != Intrinsic::lifetime_end)
103         return false;
104     } else if (const BitCastInst *BCI = dyn_cast<BitCastInst>(U)) {
105       if (BCI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
106         return false;
107       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(BCI))
108         return false;
109     } else if (const GetElementPtrInst *GEPI = dyn_cast<GetElementPtrInst>(U)) {
110       if (GEPI->getType() != Type::getInt8PtrTy(U->getContext()))
111         return false;
112       if (!GEPI->hasAllZeroIndices())
113         return false;
114       if (!onlyUsedByLifetimeMarkers(GEPI))
115         return false;
116     } else {
117       return false;
118     }
119   }
120
121   return true;
122 }
123
124 namespace {
125   struct AllocaInfo;
126
127   // Data package used by RenamePass()
128   class RenamePassData {
129   public:
130     typedef std::vector<Value *> ValVector;
131     
132     RenamePassData() : BB(NULL), Pred(NULL), Values() {}
133     RenamePassData(BasicBlock *B, BasicBlock *P,
134                    const ValVector &V) : BB(B), Pred(P), Values(V) {}
135     BasicBlock *BB;
136     BasicBlock *Pred;
137     ValVector Values;
138     
139     void swap(RenamePassData &RHS) {
140       std::swap(BB, RHS.BB);
141       std::swap(Pred, RHS.Pred);
142       Values.swap(RHS.Values);
143     }
144   };
145   
146   /// LargeBlockInfo - This assigns and keeps a per-bb relative ordering of
147   /// load/store instructions in the block that directly load or store an alloca.
148   ///
149   /// This functionality is important because it avoids scanning large basic
150   /// blocks multiple times when promoting many allocas in the same block.
151   class LargeBlockInfo {
152     /// InstNumbers - For each instruction that we track, keep the index of the
153     /// instruction.  The index starts out as the number of the instruction from
154     /// the start of the block.
155     DenseMap<const Instruction *, unsigned> InstNumbers;
156   public:
157     
158     /// isInterestingInstruction - This code only looks at accesses to allocas.
159     static bool isInterestingInstruction(const Instruction *I) {
160       return (isa<LoadInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(0))) ||
161              (isa<StoreInst>(I) && isa<AllocaInst>(I->getOperand(1)));
162     }
163     
164     /// getInstructionIndex - Get or calculate the index of the specified
165     /// instruction.
166     unsigned getInstructionIndex(const Instruction *I) {
167       assert(isInterestingInstruction(I) &&
168              "Not a load/store to/from an alloca?");
169       
170       // If we already have this instruction number, return it.
171       DenseMap<const Instruction *, unsigned>::iterator It = InstNumbers.find(I);
172       if (It != InstNumbers.end()) return It->second;
173       
174       // Scan the whole block to get the instruction.  This accumulates
175       // information for every interesting instruction in the block, in order to
176       // avoid gratuitus rescans.
177       const BasicBlock *BB = I->getParent();
178       unsigned InstNo = 0;
179       for (BasicBlock::const_iterator BBI = BB->begin(), E = BB->end();
180            BBI != E; ++BBI)
181         if (isInterestingInstruction(BBI))
182           InstNumbers[BBI] = InstNo++;
183       It = InstNumbers.find(I);
184       
185       assert(It != InstNumbers.end() && "Didn't insert instruction?");
186       return It->second;
187     }
188     
189     void deleteValue(const Instruction *I) {
190       InstNumbers.erase(I);
191     }
192     
193     void clear() {
194       InstNumbers.clear();
195     }
196   };
197
198   struct PromoteMem2Reg {
199     /// Allocas - The alloca instructions being promoted.
200     ///
201     std::vector<AllocaInst*> Allocas;
202     DominatorTree &DT;
203     DIBuilder *DIB;
204
205     /// AST - An AliasSetTracker object to update.  If null, don't update it.
206     ///
207     AliasSetTracker *AST;
208     
209     /// AllocaLookup - Reverse mapping of Allocas.
210     ///
211     DenseMap<AllocaInst*, unsigned>  AllocaLookup;
212
213     /// NewPhiNodes - The PhiNodes we're adding.
214     ///
215     DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*> NewPhiNodes;
216     
217     /// PhiToAllocaMap - For each PHI node, keep track of which entry in Allocas
218     /// it corresponds to.
219     DenseMap<PHINode*, unsigned> PhiToAllocaMap;
220     
221     /// PointerAllocaValues - If we are updating an AliasSetTracker, then for
222     /// each alloca that is of pointer type, we keep track of what to copyValue
223     /// to the inserted PHI nodes here.
224     ///
225     std::vector<Value*> PointerAllocaValues;
226
227     /// AllocaDbgDeclares - For each alloca, we keep track of the dbg.declare
228     /// intrinsic that describes it, if any, so that we can convert it to a
229     /// dbg.value intrinsic if the alloca gets promoted.
230     SmallVector<DbgDeclareInst*, 8> AllocaDbgDeclares;
231
232     /// Visited - The set of basic blocks the renamer has already visited.
233     ///
234     SmallPtrSet<BasicBlock*, 16> Visited;
235
236     /// BBNumbers - Contains a stable numbering of basic blocks to avoid
237     /// non-determinstic behavior.
238     DenseMap<BasicBlock*, unsigned> BBNumbers;
239
240     /// DomLevels - Maps DomTreeNodes to their level in the dominator tree.
241     DenseMap<DomTreeNode*, unsigned> DomLevels;
242
243     /// BBNumPreds - Lazily compute the number of predecessors a block has.
244     DenseMap<const BasicBlock*, unsigned> BBNumPreds;
245   public:
246     PromoteMem2Reg(const std::vector<AllocaInst*> &A, DominatorTree &dt,
247                    AliasSetTracker *ast)
248       : Allocas(A), DT(dt), DIB(0), AST(ast) {}
249     ~PromoteMem2Reg() {
250       delete DIB;
251     }
252
253     void run();
254
255     /// dominates - Return true if BB1 dominates BB2 using the DominatorTree.
256     ///
257     bool dominates(BasicBlock *BB1, BasicBlock *BB2) const {
258       return DT.dominates(BB1, BB2);
259     }
260
261   private:
262     void RemoveFromAllocasList(unsigned &AllocaIdx) {
263       Allocas[AllocaIdx] = Allocas.back();
264       Allocas.pop_back();
265       --AllocaIdx;
266     }
267
268     unsigned getNumPreds(const BasicBlock *BB) {
269       unsigned &NP = BBNumPreds[BB];
270       if (NP == 0)
271         NP = std::distance(pred_begin(BB), pred_end(BB))+1;
272       return NP-1;
273     }
274
275     void DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
276                                  AllocaInfo &Info);
277     void ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
278                              const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
279                              SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks);
280     
281     void RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
282                                   LargeBlockInfo &LBI);
283     void PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
284                                   LargeBlockInfo &LBI);
285     
286     void RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
287                     RenamePassData::ValVector &IncVals,
288                     std::vector<RenamePassData> &Worklist);
289     bool QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaIdx, unsigned &Version);
290   };
291   
292   struct AllocaInfo {
293     SmallVector<BasicBlock*, 32> DefiningBlocks;
294     SmallVector<BasicBlock*, 32> UsingBlocks;
295     
296     StoreInst  *OnlyStore;
297     BasicBlock *OnlyBlock;
298     bool OnlyUsedInOneBlock;
299     
300     Value *AllocaPointerVal;
301     DbgDeclareInst *DbgDeclare;
302     
303     void clear() {
304       DefiningBlocks.clear();
305       UsingBlocks.clear();
306       OnlyStore = 0;
307       OnlyBlock = 0;
308       OnlyUsedInOneBlock = true;
309       AllocaPointerVal = 0;
310       DbgDeclare = 0;
311     }
312     
313     /// AnalyzeAlloca - Scan the uses of the specified alloca, filling in our
314     /// ivars.
315     void AnalyzeAlloca(AllocaInst *AI) {
316       clear();
317
318       // As we scan the uses of the alloca instruction, keep track of stores,
319       // and decide whether all of the loads and stores to the alloca are within
320       // the same basic block.
321       for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
322            UI != E;)  {
323         Instruction *User = cast<Instruction>(*UI++);
324
325         if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(User)) {
326           // Remember the basic blocks which define new values for the alloca
327           DefiningBlocks.push_back(SI->getParent());
328           AllocaPointerVal = SI->getOperand(0);
329           OnlyStore = SI;
330         } else {
331           LoadInst *LI = cast<LoadInst>(User);
332           // Otherwise it must be a load instruction, keep track of variable
333           // reads.
334           UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
335           AllocaPointerVal = LI;
336         }
337         
338         if (OnlyUsedInOneBlock) {
339           if (OnlyBlock == 0)
340             OnlyBlock = User->getParent();
341           else if (OnlyBlock != User->getParent())
342             OnlyUsedInOneBlock = false;
343         }
344       }
345       
346       DbgDeclare = FindAllocaDbgDeclare(AI);
347     }
348   };
349
350   typedef std::pair<DomTreeNode*, unsigned> DomTreeNodePair;
351
352   struct DomTreeNodeCompare {
353     bool operator()(const DomTreeNodePair &LHS, const DomTreeNodePair &RHS) {
354       return LHS.second < RHS.second;
355     }
356   };
357 }  // end of anonymous namespace
358
359 static void removeLifetimeIntrinsicUsers(AllocaInst *AI) {
360   // Knowing that this alloca is promotable, we know that it's safe to kill all
361   // instructions except for load and store.
362
363   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), UE = AI->use_end();
364        UI != UE;) {
365     Instruction *I = cast<Instruction>(*UI);
366     ++UI;
367     if (isa<LoadInst>(I) || isa<StoreInst>(I))
368       continue;
369
370     if (!I->getType()->isVoidTy()) {
371       // The only users of this bitcast/GEP instruction are lifetime intrinsics.
372       // Follow the use/def chain to erase them now instead of leaving it for
373       // dead code elimination later.
374       for (Value::use_iterator UI = I->use_begin(), UE = I->use_end();
375            UI != UE;) {
376         Instruction *Inst = cast<Instruction>(*UI);
377         ++UI;
378         Inst->eraseFromParent();
379       }
380     }
381     I->eraseFromParent();
382   }
383 }
384
385 void PromoteMem2Reg::run() {
386   Function &F = *DT.getRoot()->getParent();
387
388   if (AST) PointerAllocaValues.resize(Allocas.size());
389   AllocaDbgDeclares.resize(Allocas.size());
390
391   AllocaInfo Info;
392   LargeBlockInfo LBI;
393
394   for (unsigned AllocaNum = 0; AllocaNum != Allocas.size(); ++AllocaNum) {
395     AllocaInst *AI = Allocas[AllocaNum];
396
397     assert(isAllocaPromotable(AI) &&
398            "Cannot promote non-promotable alloca!");
399     assert(AI->getParent()->getParent() == &F &&
400            "All allocas should be in the same function, which is same as DF!");
401
402     removeLifetimeIntrinsicUsers(AI);
403
404     if (AI->use_empty()) {
405       // If there are no uses of the alloca, just delete it now.
406       if (AST) AST->deleteValue(AI);
407       AI->eraseFromParent();
408
409       // Remove the alloca from the Allocas list, since it has been processed
410       RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
411       ++NumDeadAlloca;
412       continue;
413     }
414     
415     // Calculate the set of read and write-locations for each alloca.  This is
416     // analogous to finding the 'uses' and 'definitions' of each variable.
417     Info.AnalyzeAlloca(AI);
418
419     // If there is only a single store to this value, replace any loads of
420     // it that are directly dominated by the definition with the value stored.
421     if (Info.DefiningBlocks.size() == 1) {
422       RewriteSingleStoreAlloca(AI, Info, LBI);
423
424       // Finally, after the scan, check to see if the store is all that is left.
425       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
426         // Record debuginfo for the store and remove the declaration's 
427         // debuginfo.
428         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
429           if (!DIB)
430             DIB = new DIBuilder(*DDI->getParent()->getParent()->getParent());
431           ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, Info.OnlyStore, *DIB);
432           DDI->eraseFromParent();
433         }
434         // Remove the (now dead) store and alloca.
435         Info.OnlyStore->eraseFromParent();
436         LBI.deleteValue(Info.OnlyStore);
437
438         if (AST) AST->deleteValue(AI);
439         AI->eraseFromParent();
440         LBI.deleteValue(AI);
441         
442         // The alloca has been processed, move on.
443         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
444         
445         ++NumSingleStore;
446         continue;
447       }
448     }
449     
450     // If the alloca is only read and written in one basic block, just perform a
451     // linear sweep over the block to eliminate it.
452     if (Info.OnlyUsedInOneBlock) {
453       PromoteSingleBlockAlloca(AI, Info, LBI);
454       
455       // Finally, after the scan, check to see if the stores are all that is
456       // left.
457       if (Info.UsingBlocks.empty()) {
458         
459         // Remove the (now dead) stores and alloca.
460         while (!AI->use_empty()) {
461           StoreInst *SI = cast<StoreInst>(AI->use_back());
462           // Record debuginfo for the store before removing it.
463           if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare) {
464             if (!DIB)
465               DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
466             ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
467           }
468           SI->eraseFromParent();
469           LBI.deleteValue(SI);
470         }
471         
472         if (AST) AST->deleteValue(AI);
473         AI->eraseFromParent();
474         LBI.deleteValue(AI);
475         
476         // The alloca has been processed, move on.
477         RemoveFromAllocasList(AllocaNum);
478         
479         // The alloca's debuginfo can be removed as well.
480         if (DbgDeclareInst *DDI = Info.DbgDeclare)
481           DDI->eraseFromParent();
482
483         ++NumLocalPromoted;
484         continue;
485       }
486     }
487
488     // If we haven't computed dominator tree levels, do so now.
489     if (DomLevels.empty()) {
490       SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
491
492       DomTreeNode *Root = DT.getRootNode();
493       DomLevels[Root] = 0;
494       Worklist.push_back(Root);
495
496       while (!Worklist.empty()) {
497         DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
498         unsigned ChildLevel = DomLevels[Node] + 1;
499         for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end();
500              CI != CE; ++CI) {
501           DomLevels[*CI] = ChildLevel;
502           Worklist.push_back(*CI);
503         }
504       }
505     }
506
507     // If we haven't computed a numbering for the BB's in the function, do so
508     // now.
509     if (BBNumbers.empty()) {
510       unsigned ID = 0;
511       for (Function::iterator I = F.begin(), E = F.end(); I != E; ++I)
512         BBNumbers[I] = ID++;
513     }
514
515     // If we have an AST to keep updated, remember some pointer value that is
516     // stored into the alloca.
517     if (AST)
518       PointerAllocaValues[AllocaNum] = Info.AllocaPointerVal;
519       
520     // Remember the dbg.declare intrinsic describing this alloca, if any.
521     if (Info.DbgDeclare) AllocaDbgDeclares[AllocaNum] = Info.DbgDeclare;
522     
523     // Keep the reverse mapping of the 'Allocas' array for the rename pass.
524     AllocaLookup[Allocas[AllocaNum]] = AllocaNum;
525
526     // At this point, we're committed to promoting the alloca using IDF's, and
527     // the standard SSA construction algorithm.  Determine which blocks need PHI
528     // nodes and see if we can optimize out some work by avoiding insertion of
529     // dead phi nodes.
530     DetermineInsertionPoint(AI, AllocaNum, Info);
531   }
532
533   if (Allocas.empty())
534     return; // All of the allocas must have been trivial!
535
536   LBI.clear();
537   
538   
539   // Set the incoming values for the basic block to be null values for all of
540   // the alloca's.  We do this in case there is a load of a value that has not
541   // been stored yet.  In this case, it will get this null value.
542   //
543   RenamePassData::ValVector Values(Allocas.size());
544   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i)
545     Values[i] = UndefValue::get(Allocas[i]->getAllocatedType());
546
547   // Walks all basic blocks in the function performing the SSA rename algorithm
548   // and inserting the phi nodes we marked as necessary
549   //
550   std::vector<RenamePassData> RenamePassWorkList;
551   RenamePassWorkList.push_back(RenamePassData(F.begin(), 0, Values));
552   do {
553     RenamePassData RPD;
554     RPD.swap(RenamePassWorkList.back());
555     RenamePassWorkList.pop_back();
556     // RenamePass may add new worklist entries.
557     RenamePass(RPD.BB, RPD.Pred, RPD.Values, RenamePassWorkList);
558   } while (!RenamePassWorkList.empty());
559   
560   // The renamer uses the Visited set to avoid infinite loops.  Clear it now.
561   Visited.clear();
562
563   // Remove the allocas themselves from the function.
564   for (unsigned i = 0, e = Allocas.size(); i != e; ++i) {
565     Instruction *A = Allocas[i];
566
567     // If there are any uses of the alloca instructions left, they must be in
568     // unreachable basic blocks that were not processed by walking the dominator
569     // tree. Just delete the users now.
570     if (!A->use_empty())
571       A->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(A->getType()));
572     if (AST) AST->deleteValue(A);
573     A->eraseFromParent();
574   }
575
576   // Remove alloca's dbg.declare instrinsics from the function.
577   for (unsigned i = 0, e = AllocaDbgDeclares.size(); i != e; ++i)
578     if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[i])
579       DDI->eraseFromParent();
580
581   // Loop over all of the PHI nodes and see if there are any that we can get
582   // rid of because they merge all of the same incoming values.  This can
583   // happen due to undef values coming into the PHI nodes.  This process is
584   // iterative, because eliminating one PHI node can cause others to be removed.
585   bool EliminatedAPHI = true;
586   while (EliminatedAPHI) {
587     EliminatedAPHI = false;
588     
589     for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
590            NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E;) {
591       PHINode *PN = I->second;
592
593       // If this PHI node merges one value and/or undefs, get the value.
594       if (Value *V = SimplifyInstruction(PN, 0, 0, &DT)) {
595         if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
596           AST->deleteValue(PN);
597         PN->replaceAllUsesWith(V);
598         PN->eraseFromParent();
599         NewPhiNodes.erase(I++);
600         EliminatedAPHI = true;
601         continue;
602       }
603       ++I;
604     }
605   }
606   
607   // At this point, the renamer has added entries to PHI nodes for all reachable
608   // code.  Unfortunately, there may be unreachable blocks which the renamer
609   // hasn't traversed.  If this is the case, the PHI nodes may not
610   // have incoming values for all predecessors.  Loop over all PHI nodes we have
611   // created, inserting undef values if they are missing any incoming values.
612   //
613   for (DenseMap<std::pair<BasicBlock*, unsigned>, PHINode*>::iterator I =
614          NewPhiNodes.begin(), E = NewPhiNodes.end(); I != E; ++I) {
615     // We want to do this once per basic block.  As such, only process a block
616     // when we find the PHI that is the first entry in the block.
617     PHINode *SomePHI = I->second;
618     BasicBlock *BB = SomePHI->getParent();
619     if (&BB->front() != SomePHI)
620       continue;
621
622     // Only do work here if there the PHI nodes are missing incoming values.  We
623     // know that all PHI nodes that were inserted in a block will have the same
624     // number of incoming values, so we can just check any of them.
625     if (SomePHI->getNumIncomingValues() == getNumPreds(BB))
626       continue;
627
628     // Get the preds for BB.
629     SmallVector<BasicBlock*, 16> Preds(pred_begin(BB), pred_end(BB));
630     
631     // Ok, now we know that all of the PHI nodes are missing entries for some
632     // basic blocks.  Start by sorting the incoming predecessors for efficient
633     // access.
634     std::sort(Preds.begin(), Preds.end());
635     
636     // Now we loop through all BB's which have entries in SomePHI and remove
637     // them from the Preds list.
638     for (unsigned i = 0, e = SomePHI->getNumIncomingValues(); i != e; ++i) {
639       // Do a log(n) search of the Preds list for the entry we want.
640       SmallVector<BasicBlock*, 16>::iterator EntIt =
641         std::lower_bound(Preds.begin(), Preds.end(),
642                          SomePHI->getIncomingBlock(i));
643       assert(EntIt != Preds.end() && *EntIt == SomePHI->getIncomingBlock(i)&&
644              "PHI node has entry for a block which is not a predecessor!");
645
646       // Remove the entry
647       Preds.erase(EntIt);
648     }
649
650     // At this point, the blocks left in the preds list must have dummy
651     // entries inserted into every PHI nodes for the block.  Update all the phi
652     // nodes in this block that we are inserting (there could be phis before
653     // mem2reg runs).
654     unsigned NumBadPreds = SomePHI->getNumIncomingValues();
655     BasicBlock::iterator BBI = BB->begin();
656     while ((SomePHI = dyn_cast<PHINode>(BBI++)) &&
657            SomePHI->getNumIncomingValues() == NumBadPreds) {
658       Value *UndefVal = UndefValue::get(SomePHI->getType());
659       for (unsigned pred = 0, e = Preds.size(); pred != e; ++pred)
660         SomePHI->addIncoming(UndefVal, Preds[pred]);
661     }
662   }
663         
664   NewPhiNodes.clear();
665 }
666
667
668 /// ComputeLiveInBlocks - Determine which blocks the value is live in.  These
669 /// are blocks which lead to uses.  Knowing this allows us to avoid inserting
670 /// PHI nodes into blocks which don't lead to uses (thus, the inserted phi nodes
671 /// would be dead).
672 void PromoteMem2Reg::
673 ComputeLiveInBlocks(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info, 
674                     const SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &DefBlocks,
675                     SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> &LiveInBlocks) {
676   
677   // To determine liveness, we must iterate through the predecessors of blocks
678   // where the def is live.  Blocks are added to the worklist if we need to
679   // check their predecessors.  Start with all the using blocks.
680   SmallVector<BasicBlock*, 64> LiveInBlockWorklist(Info.UsingBlocks.begin(),
681                                                    Info.UsingBlocks.end());
682   
683   // If any of the using blocks is also a definition block, check to see if the
684   // definition occurs before or after the use.  If it happens before the use,
685   // the value isn't really live-in.
686   for (unsigned i = 0, e = LiveInBlockWorklist.size(); i != e; ++i) {
687     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist[i];
688     if (!DefBlocks.count(BB)) continue;
689     
690     // Okay, this is a block that both uses and defines the value.  If the first
691     // reference to the alloca is a def (store), then we know it isn't live-in.
692     for (BasicBlock::iterator I = BB->begin(); ; ++I) {
693       if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
694         if (SI->getOperand(1) != AI) continue;
695         
696         // We found a store to the alloca before a load.  The alloca is not
697         // actually live-in here.
698         LiveInBlockWorklist[i] = LiveInBlockWorklist.back();
699         LiveInBlockWorklist.pop_back();
700         --i, --e;
701         break;
702       }
703       
704       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
705         if (LI->getOperand(0) != AI) continue;
706         
707         // Okay, we found a load before a store to the alloca.  It is actually
708         // live into this block.
709         break;
710       }
711     }
712   }
713   
714   // Now that we have a set of blocks where the phi is live-in, recursively add
715   // their predecessors until we find the full region the value is live.
716   while (!LiveInBlockWorklist.empty()) {
717     BasicBlock *BB = LiveInBlockWorklist.pop_back_val();
718     
719     // The block really is live in here, insert it into the set.  If already in
720     // the set, then it has already been processed.
721     if (!LiveInBlocks.insert(BB))
722       continue;
723     
724     // Since the value is live into BB, it is either defined in a predecessor or
725     // live into it to.  Add the preds to the worklist unless they are a
726     // defining block.
727     for (pred_iterator PI = pred_begin(BB), E = pred_end(BB); PI != E; ++PI) {
728       BasicBlock *P = *PI;
729       
730       // The value is not live into a predecessor if it defines the value.
731       if (DefBlocks.count(P))
732         continue;
733       
734       // Otherwise it is, add to the worklist.
735       LiveInBlockWorklist.push_back(P);
736     }
737   }
738 }
739
740 /// DetermineInsertionPoint - At this point, we're committed to promoting the
741 /// alloca using IDF's, and the standard SSA construction algorithm.  Determine
742 /// which blocks need phi nodes and see if we can optimize out some work by
743 /// avoiding insertion of dead phi nodes.
744 void PromoteMem2Reg::DetermineInsertionPoint(AllocaInst *AI, unsigned AllocaNum,
745                                              AllocaInfo &Info) {
746   // Unique the set of defining blocks for efficient lookup.
747   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> DefBlocks;
748   DefBlocks.insert(Info.DefiningBlocks.begin(), Info.DefiningBlocks.end());
749
750   // Determine which blocks the value is live in.  These are blocks which lead
751   // to uses.
752   SmallPtrSet<BasicBlock*, 32> LiveInBlocks;
753   ComputeLiveInBlocks(AI, Info, DefBlocks, LiveInBlocks);
754
755   // Use a priority queue keyed on dominator tree level so that inserted nodes
756   // are handled from the bottom of the dominator tree upwards.
757   typedef std::priority_queue<DomTreeNodePair, SmallVector<DomTreeNodePair, 32>,
758                               DomTreeNodeCompare> IDFPriorityQueue;
759   IDFPriorityQueue PQ;
760
761   for (SmallPtrSet<BasicBlock*, 32>::const_iterator I = DefBlocks.begin(),
762        E = DefBlocks.end(); I != E; ++I) {
763     if (DomTreeNode *Node = DT.getNode(*I))
764       PQ.push(std::make_pair(Node, DomLevels[Node]));
765   }
766
767   SmallVector<std::pair<unsigned, BasicBlock*>, 32> DFBlocks;
768   SmallPtrSet<DomTreeNode*, 32> Visited;
769   SmallVector<DomTreeNode*, 32> Worklist;
770   while (!PQ.empty()) {
771     DomTreeNodePair RootPair = PQ.top();
772     PQ.pop();
773     DomTreeNode *Root = RootPair.first;
774     unsigned RootLevel = RootPair.second;
775
776     // Walk all dominator tree children of Root, inspecting their CFG edges with
777     // targets elsewhere on the dominator tree. Only targets whose level is at
778     // most Root's level are added to the iterated dominance frontier of the
779     // definition set.
780
781     Worklist.clear();
782     Worklist.push_back(Root);
783
784     while (!Worklist.empty()) {
785       DomTreeNode *Node = Worklist.pop_back_val();
786       BasicBlock *BB = Node->getBlock();
787
788       for (succ_iterator SI = succ_begin(BB), SE = succ_end(BB); SI != SE;
789            ++SI) {
790         DomTreeNode *SuccNode = DT.getNode(*SI);
791
792         // Quickly skip all CFG edges that are also dominator tree edges instead
793         // of catching them below.
794         if (SuccNode->getIDom() == Node)
795           continue;
796
797         unsigned SuccLevel = DomLevels[SuccNode];
798         if (SuccLevel > RootLevel)
799           continue;
800
801         if (!Visited.insert(SuccNode))
802           continue;
803
804         BasicBlock *SuccBB = SuccNode->getBlock();
805         if (!LiveInBlocks.count(SuccBB))
806           continue;
807
808         DFBlocks.push_back(std::make_pair(BBNumbers[SuccBB], SuccBB));
809         if (!DefBlocks.count(SuccBB))
810           PQ.push(std::make_pair(SuccNode, SuccLevel));
811       }
812
813       for (DomTreeNode::iterator CI = Node->begin(), CE = Node->end(); CI != CE;
814            ++CI) {
815         if (!Visited.count(*CI))
816           Worklist.push_back(*CI);
817       }
818     }
819   }
820
821   if (DFBlocks.size() > 1)
822     std::sort(DFBlocks.begin(), DFBlocks.end());
823
824   unsigned CurrentVersion = 0;
825   for (unsigned i = 0, e = DFBlocks.size(); i != e; ++i)
826     QueuePhiNode(DFBlocks[i].second, AllocaNum, CurrentVersion);
827 }
828
829 /// RewriteSingleStoreAlloca - If there is only a single store to this value,
830 /// replace any loads of it that are directly dominated by the definition with
831 /// the value stored.
832 void PromoteMem2Reg::RewriteSingleStoreAlloca(AllocaInst *AI,
833                                               AllocaInfo &Info,
834                                               LargeBlockInfo &LBI) {
835   StoreInst *OnlyStore = Info.OnlyStore;
836   bool StoringGlobalVal = !isa<Instruction>(OnlyStore->getOperand(0));
837   BasicBlock *StoreBB = OnlyStore->getParent();
838   int StoreIndex = -1;
839
840   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
841   Info.UsingBlocks.clear();
842   
843   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E; ) {
844     Instruction *UserInst = cast<Instruction>(*UI++);
845     if (!isa<LoadInst>(UserInst)) {
846       assert(UserInst == OnlyStore && "Should only have load/stores");
847       continue;
848     }
849     LoadInst *LI = cast<LoadInst>(UserInst);
850     
851     // Okay, if we have a load from the alloca, we want to replace it with the
852     // only value stored to the alloca.  We can do this if the value is
853     // dominated by the store.  If not, we use the rest of the mem2reg machinery
854     // to insert the phi nodes as needed.
855     if (!StoringGlobalVal) {  // Non-instructions are always dominated.
856       if (LI->getParent() == StoreBB) {
857         // If we have a use that is in the same block as the store, compare the
858         // indices of the two instructions to see which one came first.  If the
859         // load came before the store, we can't handle it.
860         if (StoreIndex == -1)
861           StoreIndex = LBI.getInstructionIndex(OnlyStore);
862
863         if (unsigned(StoreIndex) > LBI.getInstructionIndex(LI)) {
864           // Can't handle this load, bail out.
865           Info.UsingBlocks.push_back(StoreBB);
866           continue;
867         }
868         
869       } else if (LI->getParent() != StoreBB &&
870                  !dominates(StoreBB, LI->getParent())) {
871         // If the load and store are in different blocks, use BB dominance to
872         // check their relationships.  If the store doesn't dom the use, bail
873         // out.
874         Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
875         continue;
876       }
877     }
878     
879     // Otherwise, we *can* safely rewrite this load.
880     Value *ReplVal = OnlyStore->getOperand(0);
881     // If the replacement value is the load, this must occur in unreachable
882     // code.
883     if (ReplVal == LI)
884       ReplVal = UndefValue::get(LI->getType());
885     LI->replaceAllUsesWith(ReplVal);
886     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
887       AST->deleteValue(LI);
888     LI->eraseFromParent();
889     LBI.deleteValue(LI);
890   }
891 }
892
893 namespace {
894
895 /// StoreIndexSearchPredicate - This is a helper predicate used to search by the
896 /// first element of a pair.
897 struct StoreIndexSearchPredicate {
898   bool operator()(const std::pair<unsigned, StoreInst*> &LHS,
899                   const std::pair<unsigned, StoreInst*> &RHS) {
900     return LHS.first < RHS.first;
901   }
902 };
903
904 }
905
906 /// PromoteSingleBlockAlloca - Many allocas are only used within a single basic
907 /// block.  If this is the case, avoid traversing the CFG and inserting a lot of
908 /// potentially useless PHI nodes by just performing a single linear pass over
909 /// the basic block using the Alloca.
910 ///
911 /// If we cannot promote this alloca (because it is read before it is written),
912 /// return true.  This is necessary in cases where, due to control flow, the
913 /// alloca is potentially undefined on some control flow paths.  e.g. code like
914 /// this is potentially correct:
915 ///
916 ///   for (...) { if (c) { A = undef; undef = B; } }
917 ///
918 /// ... so long as A is not used before undef is set.
919 ///
920 void PromoteMem2Reg::PromoteSingleBlockAlloca(AllocaInst *AI, AllocaInfo &Info,
921                                               LargeBlockInfo &LBI) {
922   // The trickiest case to handle is when we have large blocks. Because of this,
923   // this code is optimized assuming that large blocks happen.  This does not
924   // significantly pessimize the small block case.  This uses LargeBlockInfo to
925   // make it efficient to get the index of various operations in the block.
926   
927   // Clear out UsingBlocks.  We will reconstruct it here if needed.
928   Info.UsingBlocks.clear();
929   
930   // Walk the use-def list of the alloca, getting the locations of all stores.
931   typedef SmallVector<std::pair<unsigned, StoreInst*>, 64> StoresByIndexTy;
932   StoresByIndexTy StoresByIndex;
933   
934   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end();
935        UI != E; ++UI) 
936     if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(*UI))
937       StoresByIndex.push_back(std::make_pair(LBI.getInstructionIndex(SI), SI));
938
939   // If there are no stores to the alloca, just replace any loads with undef.
940   if (StoresByIndex.empty()) {
941     for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) 
942       if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++)) {
943         LI->replaceAllUsesWith(UndefValue::get(LI->getType()));
944         if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
945           AST->deleteValue(LI);
946         LBI.deleteValue(LI);
947         LI->eraseFromParent();
948       }
949     return;
950   }
951   
952   // Sort the stores by their index, making it efficient to do a lookup with a
953   // binary search.
954   std::sort(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end());
955   
956   // Walk all of the loads from this alloca, replacing them with the nearest
957   // store above them, if any.
958   for (Value::use_iterator UI = AI->use_begin(), E = AI->use_end(); UI != E;) {
959     LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(*UI++);
960     if (!LI) continue;
961     
962     unsigned LoadIdx = LBI.getInstructionIndex(LI);
963     
964     // Find the nearest store that has a lower than this load. 
965     StoresByIndexTy::iterator I = 
966       std::lower_bound(StoresByIndex.begin(), StoresByIndex.end(),
967                        std::pair<unsigned, StoreInst*>(LoadIdx, static_cast<StoreInst*>(0)),
968                        StoreIndexSearchPredicate());
969     
970     // If there is no store before this load, then we can't promote this load.
971     if (I == StoresByIndex.begin()) {
972       // Can't handle this load, bail out.
973       Info.UsingBlocks.push_back(LI->getParent());
974       continue;
975     }
976       
977     // Otherwise, there was a store before this load, the load takes its value.
978     --I;
979     LI->replaceAllUsesWith(I->second->getOperand(0));
980     if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
981       AST->deleteValue(LI);
982     LI->eraseFromParent();
983     LBI.deleteValue(LI);
984   }
985 }
986
987 // QueuePhiNode - queues a phi-node to be added to a basic-block for a specific
988 // Alloca returns true if there wasn't already a phi-node for that variable
989 //
990 bool PromoteMem2Reg::QueuePhiNode(BasicBlock *BB, unsigned AllocaNo,
991                                   unsigned &Version) {
992   // Look up the basic-block in question.
993   PHINode *&PN = NewPhiNodes[std::make_pair(BB, AllocaNo)];
994
995   // If the BB already has a phi node added for the i'th alloca then we're done!
996   if (PN) return false;
997
998   // Create a PhiNode using the dereferenced type... and add the phi-node to the
999   // BasicBlock.
1000   PN = PHINode::Create(Allocas[AllocaNo]->getAllocatedType(), getNumPreds(BB),
1001                        Allocas[AllocaNo]->getName() + "." + Twine(Version++), 
1002                        BB->begin());
1003   ++NumPHIInsert;
1004   PhiToAllocaMap[PN] = AllocaNo;
1005
1006   if (AST && PN->getType()->isPointerTy())
1007     AST->copyValue(PointerAllocaValues[AllocaNo], PN);
1008
1009   return true;
1010 }
1011
1012 // RenamePass - Recursively traverse the CFG of the function, renaming loads and
1013 // stores to the allocas which we are promoting.  IncomingVals indicates what
1014 // value each Alloca contains on exit from the predecessor block Pred.
1015 //
1016 void PromoteMem2Reg::RenamePass(BasicBlock *BB, BasicBlock *Pred,
1017                                 RenamePassData::ValVector &IncomingVals,
1018                                 std::vector<RenamePassData> &Worklist) {
1019 NextIteration:
1020   // If we are inserting any phi nodes into this BB, they will already be in the
1021   // block.
1022   if (PHINode *APN = dyn_cast<PHINode>(BB->begin())) {
1023     // If we have PHI nodes to update, compute the number of edges from Pred to
1024     // BB.
1025     if (PhiToAllocaMap.count(APN)) {
1026       // We want to be able to distinguish between PHI nodes being inserted by
1027       // this invocation of mem2reg from those phi nodes that already existed in
1028       // the IR before mem2reg was run.  We determine that APN is being inserted
1029       // because it is missing incoming edges.  All other PHI nodes being
1030       // inserted by this pass of mem2reg will have the same number of incoming
1031       // operands so far.  Remember this count.
1032       unsigned NewPHINumOperands = APN->getNumOperands();
1033       
1034       unsigned NumEdges = 0;
1035       for (succ_iterator I = succ_begin(Pred), E = succ_end(Pred); I != E; ++I)
1036         if (*I == BB)
1037           ++NumEdges;
1038       assert(NumEdges && "Must be at least one edge from Pred to BB!");
1039       
1040       // Add entries for all the phis.
1041       BasicBlock::iterator PNI = BB->begin();
1042       do {
1043         unsigned AllocaNo = PhiToAllocaMap[APN];
1044         
1045         // Add N incoming values to the PHI node.
1046         for (unsigned i = 0; i != NumEdges; ++i)
1047           APN->addIncoming(IncomingVals[AllocaNo], Pred);
1048         
1049         // The currently active variable for this block is now the PHI.
1050         IncomingVals[AllocaNo] = APN;
1051         
1052         // Get the next phi node.
1053         ++PNI;
1054         APN = dyn_cast<PHINode>(PNI);
1055         if (APN == 0) break;
1056         
1057         // Verify that it is missing entries.  If not, it is not being inserted
1058         // by this mem2reg invocation so we want to ignore it.
1059       } while (APN->getNumOperands() == NewPHINumOperands);
1060     }
1061   }
1062   
1063   // Don't revisit blocks.
1064   if (!Visited.insert(BB)) return;
1065
1066   for (BasicBlock::iterator II = BB->begin(); !isa<TerminatorInst>(II); ) {
1067     Instruction *I = II++; // get the instruction, increment iterator
1068
1069     if (LoadInst *LI = dyn_cast<LoadInst>(I)) {
1070       AllocaInst *Src = dyn_cast<AllocaInst>(LI->getPointerOperand());
1071       if (!Src) continue;
1072   
1073       DenseMap<AllocaInst*, unsigned>::iterator AI = AllocaLookup.find(Src);
1074       if (AI == AllocaLookup.end()) continue;
1075
1076       Value *V = IncomingVals[AI->second];
1077
1078       // Anything using the load now uses the current value.
1079       LI->replaceAllUsesWith(V);
1080       if (AST && LI->getType()->isPointerTy())
1081         AST->deleteValue(LI);
1082       BB->getInstList().erase(LI);
1083     } else if (StoreInst *SI = dyn_cast<StoreInst>(I)) {
1084       // Delete this instruction and mark the name as the current holder of the
1085       // value
1086       AllocaInst *Dest = dyn_cast<AllocaInst>(SI->getPointerOperand());
1087       if (!Dest) continue;
1088       
1089       DenseMap<AllocaInst *, unsigned>::iterator ai = AllocaLookup.find(Dest);
1090       if (ai == AllocaLookup.end())
1091         continue;
1092       
1093       // what value were we writing?
1094       IncomingVals[ai->second] = SI->getOperand(0);
1095       // Record debuginfo for the store before removing it.
1096       if (DbgDeclareInst *DDI = AllocaDbgDeclares[ai->second]) {
1097         if (!DIB)
1098           DIB = new DIBuilder(*SI->getParent()->getParent()->getParent());
1099         ConvertDebugDeclareToDebugValue(DDI, SI, *DIB);
1100       }
1101       BB->getInstList().erase(SI);
1102     }
1103   }
1104
1105   // 'Recurse' to our successors.
1106   succ_iterator I = succ_begin(BB), E = succ_end(BB);
1107   if (I == E) return;
1108
1109   // Keep track of the successors so we don't visit the same successor twice
1110   SmallPtrSet<BasicBlock*, 8> VisitedSuccs;
1111
1112   // Handle the first successor without using the worklist.
1113   VisitedSuccs.insert(*I);
1114   Pred = BB;
1115   BB = *I;
1116   ++I;
1117
1118   for (; I != E; ++I)
1119     if (VisitedSuccs.insert(*I))
1120       Worklist.push_back(RenamePassData(*I, Pred, IncomingVals));
1121
1122   goto NextIteration;
1123 }
1124
1125 /// PromoteMemToReg - Promote the specified list of alloca instructions into
1126 /// scalar registers, inserting PHI nodes as appropriate.  This function does
1127 /// not modify the CFG of the function at all.  All allocas must be from the
1128 /// same function.
1129 ///
1130 /// If AST is specified, the specified tracker is updated to reflect changes
1131 /// made to the IR.
1132 ///
1133 void llvm::PromoteMemToReg(const std::vector<AllocaInst*> &Allocas,
1134                            DominatorTree &DT, AliasSetTracker *AST) {
1135   // If there is nothing to do, bail out...
1136   if (Allocas.empty()) return;
1137
1138   PromoteMem2Reg(Allocas, DT, AST).run();
1139 }